新技術在馮家山水庫除險加固工程中的應用

趙宏章

（陜西省寶雞市馮家山水庫管理局 721300）

1 工程基本情況

馮家山水庫位于關中西部陳倉、鳳翔、千陽三縣區交界處的馮家山峽谷，是一座以農業灌溉、城市與工業供水為主，兼有防洪、發電、養殖、旅游等綜合效益的大（2）型水利工程。水庫樞紐由大壩、輸水洞、泄洪洞、溢洪洞、非常溢洪道、電站等工程設施組成。水庫于1970年7月動工興建，1974年3月下閘蓄水，當年灌溉受益，1982年1月竣工，可灌溉寶雞、鳳翔、岐山、扶風等7縣9.07萬hm2農田。

但是水庫運行近30年來，工程設施老化，年久失修，存在諸多病害問題，按照省、市水利主管部門的要求，組織相關技術人員對馮家山水庫大壩進行了全面、系統的安全鑒定。結論認為：馮家山水庫大壩為三類壩，即水庫為病險庫。

依據上級部門初步設計的批復精神，結合馮家山水庫工程實際情況，項目建設從2002年4月28日開工，在各參建方的緊密配合下，水庫運行和項目實施按照“兩不誤、兩確保、兩促進”的原則，經過共同努力，主體工程于2005年8月基本完工，其他工程也相繼于2006年12月完工。該庫大壩為碾壓式均質土壩，除險加固工程竣工后壩高75m，總庫容4.27億m3，有效庫容2.86億 m3，是山西省目前在關中最大的蓄水工程。

馮家山水庫在除險加固改造項目中以科技創新為動力，積極開展新技術、新材料、新工藝的推廣應用，從而使改造項目更加科學、經濟、合理。回顧總結除險加固工程中所采用的新技術、新材料、新工藝，對今后工程運行管理水平的提高、類似水庫除險加固工程建設，具有很好的指導作用和很強的借鑒意義。下面對新技術在該水庫除險加固工程中的應用加以介紹。

2 新技術的應用

2.1 閘房排架、梁柱粘鋼加固技術

泄洪洞進口事故檢修閘門安裝有2.2m×6.9m-63m的平面事故檢修閘門兩扇，啟閉機改用固定卷揚啟閉機QPG1400kN-63m；溢洪洞進口拱形檢修閘門啟閉機改造后為臺車式啟閉機，總重量約65.3t，由于泄洪洞、溢洪洞進口起吊設備噸位增加，以及荷載規范的變化，在閘房改造時，經對原排架結構復核，所有鋼架梁柱在考慮8度地震時配筋量基本滿足，但由于原設計梁柱斷面偏大，同時考慮原結構鋼筋損耗，不滿足構造配筋要求。為此，要對原排架、梁柱進行加固，但是采用什么樣的形式進行加固，既能達到規范要求，又能保證質量節省投資，經與設計、監理單位多次研究比較，最后采用了柱、梁外包粘鋼法，并將植筋技術與外包粘鋼板法技術綜合運用，使外粘鋼板加固技術可靠性有了很大提高。

所謂的柱外包粘鋼加固技術，是將角鋼、鋼板箍通過膠栓和灌注高強無機粘結材料與原混凝土柱可靠地連結成一個整體。該方法在新增角鋼截面提高柱子承載力的同時，還因新增鋼板箍的橫向約束作用，使原混凝土柱處于良好的三軸應力狀態，因而可以大幅度提高柱子的承載力。外粘鋼板加固技術運用高強建筑結構膠將鋼板粘貼于混凝土構件的外表面，補充構件內部的配筋不足，以達到加固補強的目的。

對泄洪洞、溢洪洞進口排架高程714～725.5m鋼架梁進行粘鋼加固，先鑿除原梁粉刷層，基面打磨平整并清掃干凈；再在植筋位置處梁上及鋼板鉆孔，粘貼鋼板，植筋，鋼板表面粘粗砂。高程714m以上的排架立柱進行包鋼加固，對柱表面粉刷層進行鑿除，四角磨出小圓角，表面打磨平整，植筋處定位，打孔植筋；角鋼和綴板定位固定，焊接；角鋼內灌WSJ建筑結構膠。最后對鋼構件表面進行清理，表面應無可見的油脂、污垢、鐵銹、灰塵等著物，確保表面干凈干燥，涂刷WSP建筑防護涂料，其配合比為A組分∶B組分=6∶1，涂層厚度要均勻，表面要平滑，不得有流掛、起皺、露底等缺陷。在WSP末干前，撒上干凈的粗砂，以增加外粉刷層與鋼板表面的粘結強度。

溢洪洞進口閘門排架梁柱粘鋼加固從2003年5月開始實施，泄洪洞進口閘門排架梁柱粘鋼加固從2004年7月開始實施，經過有荷載泄洪洞進口啟閉機重100t、溢洪洞進口閘門啟閉機重65t，另外在加上兩處閘房自重，長達5年多時間運行，未發現有任何裂縫、彎曲和斷痕，粘鋼加固完畢后，經檢查，鋼板邊緣溢膠色澤、硬化程度良好，用小錘打擊時，無空洞聲，表面粘結密實，柱外粘鋼有效粘貼面積均大于85%以上。

2.2 微型控制爆破技術

泄洪洞出口閘室為鋼筋混凝土結構，閘室框架平臺由4根80cm×80cm斷面的鋼筋混凝土立柱組成，上面支承著長1220cm、寬830cm、厚15cm的閘室，立柱之間用主梁連接，平臺板下由縱橫主次梁組成整體結構。按照除險加固工程計劃，泄洪洞出口弧形鋼閘門啟閉機鋼筋混凝土框架及平臺將拆除后重建。由于受地形環境條件限制，機械無法拆除。為此，拆除有兩種方案：一種是采用人工鑿除；另一種是采用控制爆破拆除。人工鑿除從結構上看，其混凝土強度高，內部鋼筋粗、密度大，人工鑿除難度大；另外人工作業時間長、工期長，影響即將到來的防汛，經方案比較采用微型控制爆破技術。

微型控制爆破技術的特點是各藥包的起爆時間相差微小，被爆破的巖塊在移動過程中互相撞擊，形成極其復雜的能量再分配，使巖石破碎均勻，能縮短拋擲距離，減弱地震波和空氣沖擊波的強度，既可改善爆破質量，不致砸壞附近的設施，又能提高作業機械的使用效率，有較大的經濟效益。

該框架及平臺雖然僅有65m3的混凝土工程量，但框架高9m，且鋼筋量大，這給拆除爆破增加了一定的難度，尤其是該設施鄰近大壩及泄洪洞，必須采取相應措施減少爆震，確保大壩、泄洪洞等建筑物的安全。為此采用微型控制爆破技術，重點是抓好微、控、爆三個關鍵技術環節。所謂“微”就是根據孔深、孔徑及孔距精確計算藥量、時間，使達到起爆時間相差微小；所謂“控”就是嚴格控制爆破范圍，嚴格控制裝藥量，嚴格驗收孔網參數，把好爆破材料質量關，盡量減少爆破震動，確保相鄰建筑物的安全；所謂“爆”就是通過不同時差組成的爆破網絡，一次起爆后，應按設計要求順序使各炮孔內的藥包依次起爆，獲得良好的爆破效果。

該控制爆破技術，經過采取嚴格的技術措施、精確的計算及參數試驗，以及完善的安全防護措施和觀測儀器監測，拆除僅用了10天時間，比人工鑿除提前了30天，大大加快了工程進度，節約了工程投資。據估算，僅此一項就可節約投資約5萬元。事實證明：控制爆破對壩體泄洪洞等建筑物未造成任何影響；爆破后，立柱下端3.5m的鋼筋及保留的混凝土未受到任何損傷，且表面干凈。

2.3 泥沙跟蹤自動測報技術

該庫自建庫以來，雖然利用異重流在排沙減淤方面取得了較好的成績，但在異重流排沙的實際運用中，仍存在一些問題，影響著水庫排沙效率的進一步提高。其主要問題是：異重流行進到壩前時，應立即開閘排沙，晚了會形成渾水水庫，泥沙落淤，降低排沙效率，增加排沙水量；若過早開閘排水，則浪費過多的水量。要做到適時排沙，必須知道異重流到達壩前的時間。關于異重流到達壩前的時間，目前還沒有測試的方法，也沒有通用的計算公式，僅有一些經驗公式，各個經驗公式又受各庫具體條件限制，沒有普遍意義，而且公式中的參數，在實際中又不能及時取得，難以應用。只能靠人工觀測異重流到達壩前的時間，來開閘排沙。這樣，往往錯過了最佳的排沙時機，降低了排沙效率，甚至存在異重流到達壩前，沒有開閘排沙的可能，造成壩前的大量淤積。為了用最少的水量獲得最優的排沙效果，必須解決異重流到達壩前時間、排沙泄量關系確定問題。

鑒于上述存在的問題我們與省內科研院校合作，在室內外試驗的基礎上，建立了馮家山水庫泥沙跟蹤自動測報系統。該系統是無人值守的實時水文泥沙數據采集系統。其特征是數據自動采集、自動傳輸，數據直接由計算機處理、顯示，主要的水文泥沙要素實現實時監測。克服了以往人工觀測水沙不及時、速度慢和憑經驗進行水沙調度的缺點。自動測控系統能及時準確地觀測和跟蹤異重流的發生發展過程，自動測量含沙量，通過數據處理，實現優化調度，按最佳運行方式自動控制排沙過程。

該系統建設規模為“1∶1∶4”，即系統由 1 個中心站、1個中繼站和4個泥沙遙測斷面組成。主中心站設在馮家山水庫樞紐管理處院內中心控控制樓，中繼站設在水庫庫區左岸靈山上，4個泥沙遙測斷面中有3個在庫區，布設方式均為一點法，1個在壩后河道，布設方式為三點法。其中12號斷面為入庫斷面，有泥沙傳感器9個，主要跟蹤入庫洪峰流量的泥沙含量、入庫時間等；6號斷面為庫區斷面，有泥沙傳感器3個，主要跟蹤泥沙在庫區運行的厚度、含沙量及泥沙的溫度等情況；2號斷面為壩前斷面，有泥沙傳感器3個，主要跟蹤泥沙運行到壩前含沙量和到達壩前的時間等；壩后泥沙觀測斷面，有泥沙傳感器9個，主要跟蹤出庫泥沙含沙量、泥沙溫度等。

系統的建成，可對入庫流量和含沙量、庫區泥沙的運動情況，以及出庫流量和含沙量等水文泥沙要素進行實時監測，為水庫最優排沙方案提供科學依據。以2003年汛期來洪來沙作對比，若按每年2場洪水，其洪水量級按100m3/s計，據估算，年排沙可節約水量100萬m3左右，年可多向庫外排出泥沙50～100萬t，直接經濟效益為150萬元，基本上達到了用最小的水量排出更多泥沙的目的，運行一年均可收回成本。因而它對減少水庫淤積、延長水庫壽命、提高水庫綜合效益及水庫工程正常運行和科學管理等都具有不可代替的重要作用。

2.4 利用原金屬結構設深水擋水圍堰

溢洪洞進口拱形檢修閘門為鋼結構，由上下兩節拼裝，利用螺桿連接，其底板高程為693.5m，檢修平臺高程714.5m，兩者相差20.5m，按當初庫水位計算水深約8.5m，而溢洪洞進口兩側擋水墻相距10m，擋水墻兩側向外呈喇叭口狀。要高質量按期完成對溢洪洞進口閘門的改造，其難點是如何處理好深水擋水圍堰和止水問題，目前省內外還無成熟、可靠的處理此類問題的技術方案。我們與監理、施工單位精心研究、優化方案，利用拆除的原拱門鋼結構，進行加工改造后，安裝在擋水墻喇叭口段，作為深水擋水鋼圍堰，這不僅為閘槽施工提供空間，也達到了保證工期和節約投資的目的。

2.5 開關站采用微機自動監控技術

樞紐地區開關站是水庫各閘門動力用電及管理設施運行調度、防汛和生產生活的唯一電源。電源的可靠性關系著水庫的安全，水庫的安全關系著寶雞市和關中經濟帶的安全，為提高電源可靠性，我們與設計單位通過市場調研，從提高繼電保護系統的安全可靠性入手，對10kV輸電線路開關站采用了微機保護監控自動化系統。該系統采用分層分布式技術，一體化、模塊化設計，兼容性強，設計維護方便，可全面實現變電站、開關站的綜合自動化及無人值班。其選用的JSY—2000系列化微機保護測控智能單元，可實現對變電站電器設備的保護、遙測、遙控、遙調及遙信功能、遠程傳輸；配置的多通信轉換功能模塊，具備不同的通訊方式，能與上端控制中心構成以太網。

2.6 深孔灌漿探視裂縫

在原來大壩加固灌漿工程施工中，右壩肩基巖高程695m以上砂卵石層為混凝土防滲墻，其下為防滲帷幕。在混凝土防滲墻內，單位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）；在混凝土防滲墻以下7～23m的基巖層內，單位吸水率在0.1L～0.03L/（min·m·m）之間，23m以下單位吸水率一般小于0.03L/（min·m·m）。從資料可以看出，混凝土防滲墻質量是好的，基本能滿足防滲要求。但由于在混凝土防滲墻施工時，對砂卵石層下部風化破碎基巖處理不徹底，造成該接觸帶滲漏較為嚴重。地面30～40m以下弱風化基巖，整體看透水性弱，局部滲漏較大。按照該次除險加固設計要求，帷幕灌漿軸線采用原設計軸線，孔位在原設計灌漿孔間內插對原帷幕進行補強。因帷幕施灌各區段地質條件有很大差異，特別是右壩段混凝土防滲墻運行20多年質量到底如何，鉆孔能在原帷幕軸線上嗎？鉆孔內基巖是否破碎，裂縫是否發育，滲漏量程度到底如何等，帶著這些疑問，為了做到有的放矢，在右壩肩帷幕灌漿中，依據設計圖紙對右岸防滲帷幕灌漿K98、K94、K82三個先導孔進行了孔內電視測試。測試儀器采用改裝的ST—1型水井檢查彩色電視系統，利用準50探頭，在準75的孔內進行測試。通過微型攝像機探視孔內地質狀況，使壩體孔內70多m深地質情況盡收眼底，屏幕右上角顯示的數字為孔深數，以孔管口上沿作為零點測試孔的深度。通過測試，進一步弄清了混凝土防滲墻深度、基巖狀況及與基巖的接觸狀況，完善了灌漿程序，驗證并確定了鉆孔單位吸水量、吸漿量、灌漿壓力、鉆孔深度、結束標準等技術指標和施工參數，為大面積帷幕灌漿打下了基礎，取得了很好的效果。

3 結語

馮家山水庫經過幾年的除險加固工程建設，徹底摘掉了病險庫的帽子。在除險加固工程中通過新技術的應用，使水庫除險加固方案科學、經濟、合理，從而有力地確保了除險加固工程的質量和進度，又為國家節省投資上百萬元，經濟效果十分顯著。